礦用隨鉆動態方位伽馬儀器的研制與應用

陳 龍，陳 剛，張冀冠

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

順煤層瓦斯抽采鉆孔是目前最直接和有效的瓦斯治理方法，近年來，新興的近水平定向長鉆孔技術及配套裝備，使鉆孔在煤層中合理布置并延伸，達到常規鉆孔無法比擬的瓦斯抽采效果。

自然伽馬是進行含煤地層識別的常用判識依據，不同含煤地層其自然伽馬變化范圍不同，鉆進施工時可充分利用不同含煤地層的自然伽馬差異特性，結合孔口返渣情況識別巖性，從而指導定向鉆進施工，實現鉆層地層的識別，提高鉆孔軌跡控制效率[1-3]。

國內外自然伽馬測量技術與儀器主要應用于石油鉆探領域，開發了全方位自然伽馬測量、多方位隨鉆靜態方位伽馬測量和多扇區旋轉成像隨鉆方位伽馬測量等系列產品。但由于煤礦井下防爆要求和特殊施工條件限制，石油領域開發的自然伽馬測量儀器不能直接用于煤礦井下定向鉆進施工，主要原因為：①儀器直徑較大，不適用于煤礦井下小口徑鉆進；② 儀器長度較長，受煤礦井下寬巷道空間限制；③儀器需要電流、電壓較大，不滿足防爆要求[4-5]。

中煤科工集團西安研究院有限公司汪凱斌等開發出基于自然伽馬的礦用隨鉆測量儀器，實現了全方位自然伽馬測量和多方位隨鉆靜態方位伽馬測量，為定向鉆孔軌跡控制提供了一定參考依據[6-8]。但由于該儀器只能進行滑動鉆進測量，不適用于回轉鉆進，不可實現方位成像，工作效率低。隨著煤礦井下定向鉆進工藝由滑動定向鉆進技術向復合回轉定向鉆進技術的轉變，儀器不能滿足復合回轉定向鉆進時的自然伽馬動態隨鉆測量要求。

針對以上問題，筆者研制了礦用動態方位伽馬儀器，對儀器的測量原理、關鍵設計技術、試驗應用等方面進行介紹。

1 隨鉆方位伽馬原理

隨鉆方位自然伽馬原理與傳統自然伽馬測井原理基本相同，都是測量地層自然伽馬放射性強度。地層中放射性元素發射伽馬射線，晶體探測到自然伽馬射線并產生光子，光子被光電倍增管（PMT）加速后轉換成電脈沖，該電脈沖與其他定向參數信號被編碼成串行信號，通過有線或者無線傳輸方式傳輸至孔口設備，與井深數據進行匹配得到地層的實時伽馬曲線，從而判定煤層頂底板，指導鉆進軌跡調整，控制鉆具有效穿行于煤層最佳位置[9-11]。

常規自然伽馬測井儀器是利用一個伽馬探測器探測地層自然伽馬總放射性，而隨鉆方位伽馬測井是在鉆進過程中利用一個或多個探測器探測，在數據采集時通過記錄不同探測器在不同扇區內伽馬計數實現方位測量。通過正演分析，可以得出，當探測器在不同的界面位置和狀態時，對應扇區的伽馬曲線有著不同的形態。

圖1 模擬的儀器是穿過不同地層時上下界面伽馬曲線特征，其中煤層為低放射性儲層，上下圍巖為高放射性地層。

如圖1a 所示，在儀器靠近煤巖界面時，下伽馬計數值先變小，上伽馬計數值后變小，在進入同一層位后上下伽馬計數值相近，說明儀器由高放射性圍巖進入低放射性儲層，且儀器下方先進入低放射性儲層；所以該圖表示儀器是在巖層中鉆進后從煤層頂板進入煤層。同理圖1b 曲線表示儀器是從煤層頂板穿出進入圍巖。

圖1 上下方位伽馬計數曲線關系Fig.1 Gamma counting curves of the upper and lower azimuth

2 方位伽馬儀器設計

2.1 整體設計

儀器的電氣連接框圖如圖2 所示。孔口計算機通過載波變換，將控制命令調制在直流信號上，探管收到載波信號后，進行整流濾波，將直流載波轉換為電源部分和信號部分。電源模塊經過升壓穩壓后，為后續的主控板和伽馬傳感器供電；主控板采集孔口計算機下發的控制指令完成相應的操作，并將采集到的信息再通過載波變換傳輸給孔口計算機。

圖2 儀器電氣框圖Fig.2 Electrical block diagram of the instrument

2.2 結構設計

基于鉆孔內煤巖界面區分的目的及煤礦井下實際工況條件，設計了具有多個方向探測能力的隨鉆動態方位伽馬測井儀結構。伽馬探測器安裝于隨鉆動態方位伽馬測井儀骨架之上，閃爍晶體和光電倍增管均以鎢銅鎳合金為屏蔽外殼。鎢鎳合金密度比鉛高，其吸收射線的能力比鉛高30%～40%。在鎢鎳合金上鏤空75°的窗，以使得伽馬探測器可以接收開窗方向來的γ射線，而無法接收其他方向來的伽馬射線。

將伽馬探測器分為8 個扇區，根據不同扇區的伽馬脈沖計數值大小分辨方位特性。可根據不同扇區組合形成最多8 個方向的方位伽馬特征值。這樣隨鉆動態方位伽馬測井儀可用于煤礦井下順煤層鉆進時煤層頂底板分界面的探測與識別。如圖3 所示。

圖3 方位伽馬屏蔽開窗結構Fig.3 Azimuth gamma shielding window structure

2.3 電路設計

2.3.1 載波模塊設計

采用低壓直流載波模式進行孔口和孔底探管的供電和數據傳輸。直流載波耦合方式有電容耦合、電感耦合和直接耦合等方式，考慮到煤礦井下安全性要求，無法使用大容量的電容和電感，采用了直接耦合的方式。筆者采用PWBS752 和PWBS331 直流電力載波專用的調制解調芯片，配合外圍耦合電路，實現低壓直流載波模塊的設計。傳輸速率可到9 600 bit/s，可實現孔底多扇區方位伽馬數據的實時傳輸。

2.3.2 主控板設計

主控板完成伽馬傳感器脈沖信號采集，動態鉆進條件下探管的姿態信息測量。

隨鉆動態方位伽馬儀器為旋轉測量方式，相對于靜態測量，需要考慮實際過程中旋轉帶來的離心加速度和鉆進帶來的振動加速度的影響。采用的慣性測量單元為MTI-3-8A7G6T，包含了3 個單軸的加速度計、3 個單軸的MEMS 陀螺儀和3 個單軸的磁力計。主要用來測量儀器的三軸姿態角以及加速度（或角速率）等工作。

2.3.3 基于互補濾波的動態測量方法

隨鉆動態方位伽馬測量需要儀器在旋轉和振動的過程中，測量出接收到每個伽馬探測器的脈沖信號時的屏蔽殼體開窗方向對應的工具面向角。傳統的測量方式僅適用加速度傳感器，由于旋轉過程中的離心力和振動帶來的影響，測量得到的三軸加速度分量誤差較大，無法準確計算出當前的工具面向角[12-15]。

陀螺儀自身存在低頻誤差，在使用陀螺儀計算時，會產生累計誤差。通過加速度計直接測量鉆具重力加速度，這種方法在鉆頭靜止或者緩慢運動時，即無外部加速度干擾時，能準確測量重力加速度，且無累計誤差，但是鉆具在高動態環境下，即存在離心加速度、振動加速度等非重力加速度干擾時，加速度計測量誤差較大。因此，可以利用這兩種測量方法在頻率上互補的特性，通過設計互補濾波器融合這2 種傳感器的數據[16]，提高重力加速度的測量精度和抗噪聲能力。

三軸MEMS 陀螺儀的輸出模型為：

式中：yk為陀螺儀傳感器輸出值；ωk為鉆具的真實角速度；vg為陀螺儀的低頻噪聲；bk為陀螺儀的零偏。以上陀螺儀測量變量單位均為rad/s。

三軸MEMS 加速度計測量信息包括鉆具重力加速度、鉆具振動加速度以及測量噪聲，可建模為：

式中：fk為加速度傳感器輸出；gk為鉆具各軸的重力分量；va為加速度計的高頻噪聲，這里主要是由鉆具的振動和旋轉引起的。加速度計測量變量單位均為m/s2。

設計低通濾波器FL（s）和高通濾波器FH（s）如下：

FL（s）和FH（s）構成了互補濾波器，其中，取濾波傳遞函數C（s）為：

式中：s是頻率變量，Hz；kp為一個可調的設定系數，用來決定互補濾波器的截止頻率，其大小決定了互補濾波器的截止頻率；ki是積分環節的系數。

讓加速度計信號通過FL（s），讓陀螺儀信號通過FH（s），最后再將通過互補濾波器的信號進行歸一化處理，得到互補濾波后的重力加速度為g(s)，m/s2：

由式（6）得到本文互補濾波器模型如圖4 所示：

圖4 互補濾波器模型Fig.4 Complementary filter model

為了檢驗算法的準確性，以儀器的x軸作為旋轉軸，將儀器水平放置在旋轉臺上，即井斜角為0°。調整旋轉臺的轉速為155 r/min，將提取后的重力加速度和加速度計的原始加速度做對比，對比結果如圖5a 所示。振動試驗將儀器z軸朝上，井斜角為-7.4°，工具面向角為0°的姿態放置在振動臺上。調整振動臺的振動幅度為50 m/s2，10～150 Hz 掃頻振動，分別運行本文方法和基于Kalman 框架的重力加速度提取算法[15]計算得到的井斜角和工具面向角，對比結果如圖5b所示。

從圖5a 可以看出，本文算法可以克服旋轉過程中的振動和離心加速度干擾，將重力加速度信號提取出來。

從圖5b 可以看出，使用加速度傳感器原始信號計算得出的井斜角在振動過程中偏移0.3°，工具面向角偏移0.5°，使用基于Kalman 濾波框架的重力加速度提取算法和本文提出的算法，井斜角計算穩定，工具面向角偏移控制在0.1°以內。但由于主控板單片機沒有浮點計算單元，而Kalman 濾波框架算法需要進行矩陣乘法和矩陣求逆的計算，所以該算法在單片機中的運算結果更快，更適合工程應用。

圖5 重力加速度提取算法運算結果Fig.5 Results of the gravity acceleration extraction algorithm

3 試 驗

3.1 地面性能測試

為驗證儀器的準確性，在實驗室內搭建了旋轉測試平臺，如圖6a 所示。使用減速電機帶動探管旋轉，轉速控制在30～160 r/min，用已進行過放射性傳遞的黃布包模擬不同的放射性地層，進行了模擬實驗。實驗使用了2 套不同放射性的黃布包模擬地層，一層放射性為150 API；另一層放射性250 API。

將黃布包放置在儀器下方，調整黃布包距離逐漸靠近儀器，模擬儀器從煤層中延底板靠近第一層放射性地層；將黃布包包裹住儀器模擬儀器進入第一層地層；將黃布包至于儀器上方，調整黃布包距離逐漸靠近儀器，模擬儀器從煤層中延頂板靠近第一層放射性地層，進入并返回。以同樣順序模擬儀器進入并返回第二套地層。

測量結果如圖6b 所示。實物模擬結果可以看出，儀器通信正常、數據測量穩定，測量得到的上下伽馬能正確反映出模擬地層放射性變化規律。

圖6 地面試驗測試結果Fig.6 Ground test results

3.2 井下工業性試驗

為驗證儀器在井下實際工作性能，在山西省晉城市寺河礦進行了井下工業性試驗。試驗位置在寺河礦西區3 號煤層，試驗孔是W33092 巷27 號千米鉆場16 號底板分支孔。

本次試驗鉆孔從煤層開孔，鉆孔深度152 m，鉆孔113 m 處進入巖層。伽馬測量統計周期間隔為16 s 每次，數據采集過程為動態旋轉測量。在煤層和巖層中測量間隔為6 m。為保證測量準確性，在靠近煤巖界面處，測量間隔為1 m。圖7a 為軟件測量界面，圖7b為上下伽馬測量曲線，其中上伽馬采用0 和7 扇區計數值，下伽馬采用3 和4 扇區計數值。

從圖7b 中可以看出，儀器在靠近煤層底板巖層時，伽馬值快速增大，而且由圖7b 能夠明顯顯示出遇到界面時下伽馬先于上伽馬變大，該特征為低放射性地層鉆遇下方高放射性地層的關鍵特征。

圖7c 為鉆孔軌跡地層巖性剖面，圖中對應軌跡鉆進底板深度處伽馬值突變增大，與地層巖性變化相吻合。

圖7 上下伽馬曲線和鉆孔軌跡地層巖性Fig.7 Upper and lower gamma curves and borehole trajectory stratigraphic lithology maps

4 結 論

a.介紹了動態方位伽馬測量原理，研制了一套煤礦井下隨鉆動態方位伽馬儀器，可滿足復合回轉定向鉆進時的自然伽馬動態隨鉆測量要求，為煤礦井下瓦斯治理鉆孔施工提供了新設備。

b.儀器采用高密度合金開窗結構，接收開窗扇區的伽馬射線，屏蔽其他方向的伽馬射線，根據不同扇區伽馬計數分辨方位特性。

c.根據加速度傳感器和陀螺儀不同的頻率特性，讓加速度計信號通過低通濾波器，讓陀螺儀信號通過高通濾波器，再通過互補濾波器得到歸一化的重力加速度，降低了鉆進過程中振動和離心加速度的影響。

d.通過地面和井下工業性試驗驗證了儀器的準確性，下一步工作降低儀器功耗，提高儀器直流載波傳輸距離；降低多扇區伽馬的統計時間，優化儀器操作。